一种气密双耳托板自锁螺母胶帽开裂故障分析

一种气密双耳托板自锁螺母胶帽开裂故障分析

陈金平 刘永强

中航西飞，陕西 西安 710089

【摘要】本文以一种气密双耳托板自锁螺母橡胶开裂现象为切入点，分别从宏观和微观观察、裂口形貌、硬度测试、安装过程分析，提出了改进设计和防老化工艺方法，解决了一种气密双耳托板自锁螺母橡胶开裂的问题。

关键词：气密双耳托板自锁螺母  开裂  失效

1 问题概述

检查发现一产品安装架周边气密双耳托板自锁螺母胶帽表面存在裂纹。气密双耳托板自锁螺母由双耳自锁螺母和橡胶组成，其结构如图1所示。

图1  气密双耳托板自锁螺母结构示意图

2  失效分析

2.1  宏观分析

裂纹均存在于气密双耳托板自锁螺母中金属区域上端。经测量，三个故障件裂纹与气密双耳托板自锁螺母底部的距离分别为7.73mm、7.80mm、8.45mm。

2.2  硬度（IRHD）试验

从产品的骨架与橡胶粘合的圆柱形一侧取样进行硬度（IRHD）的测试，其结果为71。

2.3  橡胶材料分析

定性分析结果可以看出，该产品的主体材料均为丁腈橡胶与氯丁橡胶并用，进行含量的定量分析，分析结果见表1。

表1  主体材料定性分析和主要组份含量定量分析结果

2.4 裂口形貌分析（电镜扫描）

裂口形貌分析是为了观察产品表面破坏的形貌，以便通过观察到的结果对产品的裂口情况做出分析，见图2。

从图2可以看出，裂口都是先从外部龟裂，向内部扩展且没有完全贯通，裂缝形成不规则且大小和长短不同，未见规律性扩展形态；这种无规裂纹说明橡胶不是纯粹的力学破坏。这应是产品在装配后由于橡胶受力后向外扩张产生形变，而应力会存在不均匀的现象，在应力比较集中的地方，加之同时存在有外部环境（光、氧、臭氧、温湿度等）并不断老化作用下导致的，而产品所用5870橡胶受外部环境的诱发影响，就会容易产生老化裂纹。从图2中可以看出，破坏的裂缝、叠层、裂口都呈不规则的分布，这应与产品存在一定程度的老化有关。

图2  产品裂口电镜扫描图

3 故障排查

气密双耳托板自锁螺母橡胶破裂从设计问题（螺钉长度选用不合理等）、制造问题（原材料缺陷等）、装配问题（使用螺钉不符合设计要求等）三个方面入手，经文件核查、计算分析及实物检查等排除了9项，“螺钉与橡胶帽螺纹旋合过长”不能排除，确认为此次问题发生的原因，即螺钉与橡胶帽螺纹旋合过长导致气密双耳托板自锁螺母橡胶破裂。

4 机理分析

当螺栓长度过长时，其尾部螺纹露出气密双耳托板自锁螺母金属部分的长度尺寸过大，螺钉旋入螺母胶套后，胶套在金属与橡胶交界处产生应力集中；加之气密双耳托板自锁螺母胶套螺纹段材料特性及工艺特性影响，产品加工完成后该段尺寸小于金属部分的M5螺纹，螺钉HB1-204G-M5×20外螺纹与胶套内工艺螺纹不匹配，应力集中现象更为明显。

采用有限元方法对螺钉拧入气密双耳托板自锁螺母不同深度进行定性分析，共计算4种不同载荷工况，其中工况1为螺钉拧入到金属与橡胶分界面处，工况2～工况4分别为拧入气密双耳托板自锁螺母橡胶区不同深度，由工况2到工况4，螺钉拧入气密双耳托板自锁螺母深度逐渐增大，各工况计算应力见图3。由结果看出，螺钉未拧入胶帽部分时，胶帽区不承受载荷，随着拧入深度的增加，胶帽部分应力逐渐增大，工况4时胶帽部分应力最大，最大应力位于金属与橡胶分界面处。

图3  各工况计算应力云图

气密双耳托板自锁螺母采用的橡胶是一种丁腈橡胶，这种橡胶是丁二烯与丙烯腈单体经乳液聚合而成的共聚物，这种共聚物中由于存在不饱和键和双键，因而对氧化降解比较敏感，在湿热作用下分子间很容易发生水解、环化和异构化等结构变化，并且很容易受紫外线影响而发生分子链断裂和交联并引发加速氧化反应，受这些因素影响，橡胶表面层会变硬变脆，在拉应力作用下橡胶老化，表现为橡胶表面产生裂纹。

5 结束语

气密双耳托板自锁螺母橡胶破裂问题的原因和机理为螺钉偏长导致螺钉与橡胶帽螺纹旋合过长，造成金属与非金属交界处应力集中加剧，同时受到外部环境的影响，橡胶最终破裂。通过更改螺钉长度、控制抛放底座厚度公差和对气密双耳托板自锁螺母橡胶涂敷抗老化涂料的措施，可解决气密双耳托板自锁螺母橡胶破裂问题。

参考文献：

[1] 橡胶老化及其防护技术的研究概况 杨小田  化工管理 2020

    [2] 双耳托板自锁螺母冷镦工艺及模具设计 王修保  模具制造 200